Chapitre 2. Minéraux et roches Chapitre 2. Minéraux et roches

(1)

Chapitre 2. Minéraux et roches

2.1. Minéralogie

(2)

Polytech’ 2010-11 • GTGC3

Définitions

Minéral (Bonin, 1988) =

solide naturel

macroscopiquement homogène

possédant une structure atomique ordonnée

une composition chimique définie

plusieurs milliers de minéraux

Roche = assemblage de minéraux

Cristal

Cristal : solide dont les atomes constitutifs sont

arrangés de manière régulière selon une

disposition fondamentale (la maille) et répétée

dans l’espace (le réseau cristallin)

(3)

Chapitre 2. Minéraux et roches

2.2. Minéralogie 2.2.a. Cristallographie

Mailles

maille R.J. Haüy

Empilement cubique

Maille

cubique

(4)

Maille

Une maille est la plus petite portion de l'espace qui, par translation, peut générer le motif cristallin infini et en a les mêmes propriétés

chimiques et physiques

Construction de la maille

a

b c

β α

γ

y z

•un repère xyz

•trois angles αβγ

•trois longueurs abc 6 paramètres 7 mailles

7 systèmes

cristallins

(5)

Système cubique

Système quadratique

(6)

Système orthorhombique

Système rhomboédrique

=

(7)

Système hexagonal

Système monoclinique

(8)

Système triclinique

Les éléments de symétrie

C A

A’

Centre de symétrie

B A

B’

Axe de symétrie

α

α 60° A 6 90° A 4 120° A 3 180° A 2

B

B’

Plan de symétrie

P

(9)

Exercice

Quels sont les éléments de symétrie d’un cristal quadratique ?

C

Correction (1)

1 centre C

C

(10)

Correction (2)

2 miroirs M’’

2 miroirs M’

1 miroir M

Correction (3)

1 axe A4 2 axes A2 2 axes A’2 A4

A2

A’2

(11)

α β γ 90°

a=b=c Triclinique

α=γ=90°

β 90°

a b c Monoclinique

α=β=γ=90°

a b c Orthorhombique

α=β=γ 90°

a=b=c Rhomboédrique

A4 2A’2 2A’’2 M 2M’ 2M’’ C α=β=γ=90°

a=b c Quadratique

α=β=90°

γ=60°

a=b c Hexagonal

α=β=γ=90°

a=b=c Cubique

Eléments de symétrie Angles

Côtés Système

Systèmes cristallins et symétries

Chapitre 2. Minéraux et roches

2.2. Minéralogie

2.2.b. Cristallochimie

(12)

Classification des minéraux

Les minéraux sont classés en fonction de la nature de l’anion

ex : carbonates (CO

₃

)

^2-

, oxydes (O

^2-

)

Il existe 8 classes de minéraux

Quelques exemples

classification des silicates Silicates

FeS

₂

Pyrite

S

^2-

Sulfures

CaSO

₄

.2H

₂

O Gypse

SO

₄^2-

Sulfates

Fe

₂

O

₃

Hématite

O

^2-

Oxydes

Au C Or

Diamant /

Natifs

NaCl Halite

Cl

^-

Halogénures

CaCO

₃

Calcite

CO

₃^2-

Carbonates

Composition Exemple

Anion

Famille

(13)

Classification des espèces minérales établie en fonction de l’ anion :

Classification des minéraux

Classe I Eléments natifs et alliages

Classe II Sulfures, arséniures, antimoniures, tellurures

Classe III Halogénures

Classe IV Oxydes simples et multiples Classe V Carbonates, nitrates, borates Classe VI Sulfates, chromates, molybdates,

wolframates

Classe VII Phosphates, arséniates, vanadates Classe VIII Silicates

Classe IX Minéraux organiques sans anion

cas des silicates : polymérisation des groupements [SiO₄]^4- anions simples

anions poly-atomiques

Polyèdre de coordination

Dans une structure minérale :

•les liaisons sont essentiellement ioniques

•un ion est représenté par une sphère

•un cation est entouré par des anions disposés selon un motif géométrique :

- les anions ⇒ polyèdre de coordination

- le cation ⇒ le centre du polyèdre

(14)

cubo-octaèdre 12

>1

cube 8

0,732-1

octaèdre 6

0,414-0,732

tétraèdre 4

0,255-0,414

triangle 3

0,155-0,255

ligne 2

<0,155

Nature Géométrie

Nbre de coordination Rapport R

_C

/R

_A

Nature des polyèdres

Les silicates

0,1 Autres

1,8 Mg

Magnésium

1,4 K

Potassium

2,6 Na

Sodium

1,9 Ca

Calcium

1,9 Fe

Fer

6,5 Al

Aluminium

21,2 Si

Silicium

62,6 O

Oxygène

% atomique Elément

Si et O sont les éléments les plus abondants de la croûte

(silicates)

Composition moyenne de la croûte terrestre

(15)

Principaux minéraux de la croûte

Non silicates 8 %

SILICATES 92 %

Polyèdre Si-O

R

_Si

= 0,41 Å - R

_O

= 1,40 Å

(16)

Tétraèdre Si-O

Silicium (Si ⁴⁺ ) Oxygène (O ^2-)

Quelle est la formule chimique du motif tétraédrique Si-O ? Tétraèdre

Tétraèdre Si-O

[SiO ₄ ] ^4-

Silicium (Si ⁴⁺ ) Oxygène (O ^2-)

Tétraèdre

(17)

Nésosilicates

Tétraèdres isolés [SiO ₄ ] ^4- Péridot

(olivine) Principal minéral du manteau terrestre

Sorosilicates et cyclosilicates

[Si ₆ O ₁₈ ] ^12-

[Si ₂ O ₇ ] ^6-

(18)

Inosilicates en chaîne simple

Diopside

Chaîne simple [Si ₂ O ₆ ] ^4-

Pyroxènes

Inosilicates en chaîne double

Chaîne double [Si ₄ O ₁₁ ] ^6-

Amphiboles

(19)

Phyllosilicates

Feuillet [Si ₄ O ₁₀ ] ^4-

Micas, argiles

Tectosilicates

Edifice 3D [SiO ₂ ]

quartz

feldspaths

(20)

Classification structurale

SILICATE =

•édifice de tétraèdres de [SiO ₄ ] ^4- agencés selon des motifs

tri–dimensionnels (charpente)

⇒ grandes familles

•motifs reliés par des cations (compensateurs des charges)

Abondance des minéraux de la croûte

Tectosilicates = 63%

(21)

Notion de substitution

• Un silicate est composé d’un squelette de tétraèdres [SiO

₄

]

^4-

• Ce squelette définit des sites dans lesquels se placent les cations

• Les cations peuvent se remplacer dans un site si :

• leur rayon ne diffère pas trop

• leur charge est équivalente (±1)

• Ce phénomène est appelé substitution

Principales substitutions

Si

⁴⁺

Al

³⁺

Fe

³⁺

Fe

²⁺

Mg

²⁺

Ca

²⁺

Na

⁺

K

⁺

(22)

Notion de solution solide

• Charpente silicatée => sites

• Si le milieu contient un seul type de cation : ex. Fe : minéral ferrifère

Mg : minéral magnésien

• Si le milieu contient les deux types de cations : le site est occupé indifféremment par l'un ou l'autre cation (substitution)

• Le minéral est alors de composition

intermédiaire entre le minéral ferrifère et le minéral magnésien

• On parle alors de solution solide

Exemple des olivines

Solution solide = un minéral dont un certain pourcentage de sites est occupé par un cation et le reste par un autre cation

Site non tétraédrique (25) Site occupé par Mg

²⁺

(17) Site occupé par Fe

²⁺

(8)

soit olivine à ¹⁷

25 = 68%

soit 68% de forstérite

(23)

Notations

•Formule structurale

•Tétraèdres Crochets

Ex. [Si

₂

O

₆

]Mg

₂

•Solution solide Parenthèses Ex. [SiO

₄

](Fe,Mg)

₂

•Chimie

•Composition molaire :

[SiO

₄

]Mg

₂

= 1 SiO

₂

+ 2MgO [Si

₂

Al

₂

O

₈

]Ca = ?

= 2 SiO

₂

+ Al

₂

O

₃

+ CaO

Une autre façon de dire...

Solution solide ≠ 2 minéraux imbriqués Rappel : un minéral est une phase homogène Solution solide = un

minéral dont un certain pourcentage de sites est occupé par un cation et le reste par un autre cation

3/12 = 40%

(24)

Points à retenir

• Roche, cristal, minéral

• Tétraèdre [SiO

₄

]

^4-

• Substitution / solution solide

• Principales familles de silicates

• Olivine, pyroxène, amphibole, micas, argiles, quartz, feldpaths

Chapitre 2. Minéraux et roches

2.2. Pétrographie

(étude des roches)

(25)

Les grands types de roches

Roches magmatiques Roches sédimentaires

Roches métamorphiques

Magma

Erosion

Erosion Métamorphisme

Métamorphisme

Cristallisation

Fusion Fusion partielle du manteau

Fusion Erosion

α β γ 90° C a=b=c

Triclinique

A2 M C α=γ=90°

β 90°

a b c Monoclinique

A2 A’2 A’’2 M M’ M’’ C α=β=γ=90°

a b c Orthorhombique

A3 3A’2 3M’ C α=β=γ 90°

a=b=c Rhomboédrique

A4 2A’2 2A’’2 2M’ 2M’’ M C α=β=γ=90°

a=b c Quadratique

A6 3A’2 3A’’2 M 3M’ 3M’’ C α=β=90°

γ=60°

a=b c Hexagonal

3A4 4A3 6A2 3M 6M’ C α=β=γ=90°

a=b=c Cubique

Eléments de symétrie Angles

Côtés Système